7、输入输出系统.ppt

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1、第七章第七章 输入输出系统输入输出系统1考纲要求考纲要求n1 I/O系统基本概念系统基本概念 n2 外部设备外部设备 n输入设备：键盘、鼠标 n输出设备：显示器、打印机 n外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器 n3 I/O接口（接口（I/O控制器）控制器）n I/O接口的功能和基本结构 nI/O端口及其编址 n4 I/O方式方式 n程序查询方式 n程序中断方式：中断的基本概念；中断响应过程；中断处理过程；多重中断和中断屏蔽的概念。nDMA方式方式：DMA控制器的组成；控制器的组成；DMA传送过程传送过程n通道方式27.6 DMA方式方式（考点）（考点）7.5 程序中断方式程序中断方式（考

2、点）（考点）7.4 程序查询方式程序查询方式（考点）（考点）7.3 I/O接口（理解）7.2 外部设备（了解）7.1 概述7.7 通道方式重点、难点、考点重点、难点、考点37.1 概概 述述一、输入输出系统的发展概况1.早期分散连接CPU 和 I/O设备 串行 工作程序查询方式2.接口模块和 DMA 阶段总线连接CPU 和 I/O设备 并行 工作3.具有通道结构的阶段4.具有 I/O 处理机的阶段中断方式DMA 方式4二、输入输出系统的组成1.I/O 软件(1)I/O 指令(2)通道指令CPU 指令的一部分通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如 IBM/370 通道指令为 64

3、位2.I/O 硬件设备I/O 接口设备设备控制器通道操作码命令码设备码5三、I/O 设备与主机的联系方式1.I/O 设备编址方式(1)统一编址(2)不统一编址用取数、存数指令有专门的 I/O 指令2.设备选址用设备选择电路识别是否被选中3.传送方式(1)串行(2)并行6数据字命令字命令字0 1 1 0 1 0 0 0起始位终止位9.09 ms2 9.09 ms4.联络方式(1)立即响应(2)异步工作采用应答信号“Ready”“Strobe”I/O 接 口I/O 设 备CPU(3)同步工作采用同步时标并行串行起始位终止位9.09 ms2 9.09 ms75.I/O 设备与主机的连接方式(1)辐射

4、式连接(2)总线连接 外设 外设 外设 主机不便于增删设备每台设备都配有一套控制线路和一组信号线便于增删设备89主机I/O接口外部设备1外部设备2外部设备nI/O接口I/O接口I/O总线图图8-2 外部设备通过外部设备通过I/O接口和主机交换信息接口和主机交换信息 四、I/O设备与主机信息传送的控制方式1.程序查询方式CPU 和 I/O 串行工作踏步等待踏步等待(注意等待点注意等待点)CPU读I/O状态检查状态未准备就绪出错从I/O接口中读 一个字到CPU从CPU向主存 写入一个字CPU向I/O发 读指令CPU读I/O状态检查状态 完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否102.程序中断方式

5、I/O 工作CPU 不查询CPU 暂停现行程序暂停现行程序自身准备与主机交换信息与主机交换信息CPU 和 I/O 并行工作 启动 I/O设备现行程序 中断服务程序KK+1没有踏步等待现象没有踏步等待现象中断现行程序11程序中断方式流程CPU 向 I/O 发读指令CPU 读 I/O 状态检查状态完成否？CPU 做其他事情I/O 设备工作准备就绪CPU I/O从 CPU 向主存写入一个字CPU 主存从 I/O 接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求I/O CPU出错是否未错123.DMA 方式主存和 I/O 之间有一条直接数据通道与主机交换信息：与主机交换信息：不中断现行程序周期挪用（周期窃

6、取）CPU 和 I/O 并行工作存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送13三种方式的 CPU 工作效率比较存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期DMA实现实现I/O与主存与主存之间的传送之间的传送CPU 执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU 执行现行程序启动I/OI/O 准备及传送指令执行周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU 处理中断服务程序处理中断服务程序实现实现 I/

7、O 与主机之间的传送与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA 方式I/O 准备及传送间断I/O准备I/O准备14CPU响应中断请求和响应中断请求和DMA请求有什么区别？请求有什么区别？CPU响应中断请求的结果是让出处理器时间，响应中断请求的结果是让出处理器时间，调出相应的中断服务程序来执行，而响应调出相应的中断服务程序来执行，而响应DMA请请求的结果是让出总线控制权。求的结果是让出总线控制权。157.2 I/O设备设备一、概述主机 设备控制器机、电磁、光部分I/O接口外部设备外部设备大致分三类键盘、鼠标、

8、打印机、显示器 磁盘、光盘、磁带1.人机交互设备2.计算机信息存储设备3.机 机通信设备调制解调器等16二、输入设备1.键盘2.鼠标3.触摸屏按键判断哪个键按下将此键翻译成 ASCII 码（编码键盘法）机械式 金属球 电位器光电式 光电转换器17三、输出设备1.显示器(1)字符显示(2)图形显示(3)图像显示字符发生器主观图像客观图像2.打印机(1)击打式(2)非击打式点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）激光（逐页）18四、其他1.A/D、D/A2.终端3.汉字处理五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟/数字（数字/模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出1.什么是多媒体2.多媒

9、体计算机的关键技术由键盘和显示器组成197.3 I/O 接接 口口一、概述为什么要设置接口？为什么要设置接口？1.实现设备的选择实现设备的选择2.实现数据缓冲达到速度匹配实现数据缓冲达到速度匹配4.实现电平转换实现电平转换5.传送控制命令6.反映设备的状态（忙、就绪、中断请求）反映设备的状态（忙、就绪、中断请求）3.实现数据串实现数据串 并格式转换并格式转换20二、接口的功能和组成(1)设备选择线(2)数据线(3)命令线(4)状态线I/O 接口设备I/O 接口设备数据线命令线状态线I/O总线设备选择线1.总线连接方式的 I/O 接口电路212.接口的功能和组成功能组成选址功能选址功能传送命令的

10、功能传送命令的功能传送数据的功能传送数据的功能反映设备状态的功能反映设备状态的功能设备选择电路命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器设备状态标记完成触发器 D工作触发器 B中断请求触发器 INTR屏蔽触发器 MASK223.I/O 接口的基本组成 命令寄存器和命令译码器 设备选择 电路 设备状态 标记 数据缓冲 寄存器DBR 控制逻辑电路I/O接口外 部 设 备数据线命令状态数据线命令线状态线CPU地址线234.I/O 端口及其编制（记住记住）n统一编址统一编址n把I/O端口当作存储器的单元进行地址分配。这种方式CPU不需要设置专门的I/O指令，用统一的访存指令就可以访问I/O端口n优点：不需要

11、专门的输入输出指令，并使不需要专门的输入输出指令，并使CPU访问访问I/O更加的更加的灵活、方便，此外，还可使端口有较大的编址空间灵活、方便，此外，还可使端口有较大的编址空间n缺点：端口占用了存储器的地址，使内存容量变小。再者，利端口占用了存储器的地址，使内存容量变小。再者，利用存储器编址的用存储器编址的I/O设备进行数据输入输出操作执行速度较慢。设备进行数据输入输出操作执行速度较慢。n独立编址独立编址nI/O端口与存储器地址无关，独立编址CPU需要设置专门的输入输出指令访问端口。n优点：输入输出指令与存储器指令有明显区别，程序编制清晰、输入输出指令与存储器指令有明显区别，程序编制清晰、便于理

12、解便于理解n缺点：输入输出指令少，一般只能对端口进行传送操作，尤其是需要CPU提供存储器读/写，I/O设备读/写两组控制信号，增加了控制的复杂性247.4 程序查询方式程序查询方式一、程序查询流程检查状态标记1 设备1 准备就绪？检查状态标记N 设备N准备就绪？处理设备1是否否处理设备N是1.查询流程检查状态标记交换数据准备就绪?是否单个设备多个设备测试指令转移指令传送指令252.程序流程设置主存缓冲区首址设置计数值启动外设传送一个数据修改主存地址修改计数值结束I/O传送准备好？传送完？未完是完否 保存 寄存器内容26习题习题在程序查询方式中的输入输出系统中，假设不在程序查询方式中的输入输出系

13、统中，假设不考虑处理时间，每一次查询操作需要考虑处理时间，每一次查询操作需要100个时钟周个时钟周期，期，CPU的时钟频率为的时钟频率为50MHz。现有鼠标和硬盘两。现有鼠标和硬盘两个设备，而且个设备，而且CPU必须每秒对鼠标进行必须每秒对鼠标进行30次查询，次查询，硬盘以硬盘以32位字长为单位传输数据，即每位字长为单位传输数据，即每32位被位被CPU查询一次，传输速率为查询一次，传输速率为2MBps。求。求CPU对这两个设对这两个设备查询所花费的时间比率？备查询所花费的时间比率？（1）100*30/(50*106)=0.006%（2）2MB/4B=512K次次100*512*1024=52.

14、4*106105%277.5 程序中断方式程序中断方式一、中断的概念KK+1QQ+1中断服务程序1中断服务程序2入口1入口228二、I/O 中断的产生以打印机为例发中断请求 空闲接收数据接收数据准备发中断请求打印打印打印机执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断中断返回响应中断中断返回 启动打印机传送数据传送数据CPUCPU 与打印机并行工作29三、程序中断方式的接口电路1.配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器DQ&1INTR 中断请求触发器INTR=1 有请求MASK 中断屏蔽触发器MASK=1 被屏蔽来自 CPU 的中断查询信号受设备本身控制INTR D MASKQD 完成触发器中断请

15、求302.中断向量地址形成部件入口地址向量地址排队器输出由软件产生硬件向量法 显示器服务程序 打印机服务程序JMP 400JMP 300JMP 200主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址中断向量地址 形成部件 设备编码器1 0 0 0000100100 1 0 000010011由 硬件 产生 向量地址再由再由 向量地址向量地址 找到找到 入口地址入口地址3132作业作业中断向量地址是（）中断向量地址是（）A 子程序入口地址B 子程序入口地址的地址C 中断服务程序入口地址（这个是什么呢）中断服务程序入口地址（这个是什么呢）D 中断服务程序入口地址的地址四、I/O 中断处理

16、过程1.CPU 响应中断的条件和时间(1)条件(2)时间允许中断触发器 EINT=1用 开中断 指令将 EINT 置“1”用 关中断 指令将 EINT 置“0”或硬件 自动复位当 D=1（随机）且 MASK=0 时在每条指令执行阶段的结束前CPU 发 中断查询信号（将 INTR 置“1”）33五、中断服务程序流程1.中断服务程序的流程中断服务程序的流程(1)保护现场(2)中断服务(3)恢复现场(4)中断返回对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务中断返回指令2.单重中断和多重中断单重中断和多重中断不允许中断 现行的 中断服务程序单重 中断多重 中断允许级别更高 的中断源中断 现行的 中断服

17、务程序中断隐指令完成进栈指令出栈指令程序断点的保护寄存器内容的保护343.单重中断和多重中断的服务程序流程中断否？保护现场设备服务恢复现场 开中断中断返回取指令执行指令中断服务程序 中断响应 程序断点进栈 关中断 向量地址 PC中断周期是中断返回保护现场设备服务恢复现场开中断开中断开中断中断隐指令中断隐指令否取指令执行指令中断否？否 中断响应 程序断点进栈 关中断向量地址 PC中断周期是中断服务程序单重 多重 35主程序和服务程序抢占 CPU 示意图准备工作准备工作准备工作传送数据传送数据发中断请求发中断请求I/O宏观 上 CPU 和 I/O 并行 工作微观 上 CPU 中断现行程序 为 I/

18、O 服务主程序继续执行主程序启动外设 服务程序（传送数据）服务程序（传送数据）继续执行主程序CPU367.6 DMA 方式方式一、DMA 方式的特点1.DMA 和程序中断两种方式的数据通路CPU主存ACC 中断接口DMA 接口I/O 设 备中断方式数据传送通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路372.DMA 与主存交换数据的三种方式(1)停止 CPU 访问主存控制简单CPU 处于不工作状态或保持状态未充分发挥 CPU 对主存的利用率主存工作时间CPU不执行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t38(2)周期挪用（或周期窃取）DMA 访问主存有三

19、种可能 CPU 此时不访存 CPU 正在访存 CPU 与 DMA 同时请求访存此时 CPU 将总线控制权让给 DMA主存工作时间 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t39(3)DMA 与 CPU 交替访问主存工作时间DMA控制并使用主存CPU控制并使用主存tCPU 工作周期C1 专供 DMA 访存C2 专供 CPU 访存所有指令执行过程中的一个基准时间不需要 申请建立和归还 总线的使用权40二、DMA 接口的功能和组成1.DMA 接口功能(1)向 CPU 申请 DMA 传送(2)处理总线 控制权的转交(3)管理 系统总线、控制 数据传送(4)确定 数据传送的 首地址和长度(5)DMA

20、传送结束时，给出操作完成信号修正 传送过程中的数据 地址 和 长度41DMA接口主存CPU2.DMA 接口组成DMA 控 制 逻 辑 中 断 机 构设备HLDAARWCDARHRQ中断请求数据线地址线+1+1溢出信号DREQDACKBR42三、DMA 的工作过程1.DMA 传送过程预处理、数据传送、后处理(1)预处理通过几条输入输出指令预置如下信息 通知 DMA 控制逻辑传送方向（入/出）设备地址 DMA 的 DAR 主存地址 DMA 的 AR 传送字数 DMA 的 WC43预处理：主存起始地址设备地址 传送数据个数启动设备DMADMADMA数据传送：继续执行主程序同时完成一批数据传送后处理：

21、中断服务程序做 DMA 结束处理继续执行主程序CPU(2)DMA 传送过程示意允许传送？主存地址送总线数据送I/O设备（或主存）修改 主存地址修改 字计数器 数据块传送结束？向CPU申请 程序中断DMA请求否否是是数据传送44BR设备DMA 控 制 逻 辑 中 断 机 构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1(3)数据传送过程（输入）DREQHRQHLDA地址线DACK数据线溢出信号中断请求ARWC+1+1BRBRBRBRBR45BR设备DMA 控 制 逻 辑 中 断 机 构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1BRDREQHRQHLDA地址线DACK数据线溢出信号中断请求ARWC+1

22、+1(4)数据传送过程（输出）BRBRBRBR46(5)后处理校验送入主存的数是否正确是否继续用 DMA测试传送过程是否正确，错则转诊断程序由中断服务程序完成472.DMA 接口与系统的连接方式DMA接口1DMA接口2DMA接口nCPU主存DMA响应I/O总线数据线地址线DMA请求(1)具有公共请求线的 DMA 请求48(2)独立的 DMA 请求DMA接口1DMA接口2DMA接口3CPU主存DMA响应1DMA请求1DMA响应2DMA请求2DMA响应3DMA请求3I/O总线数据线地址线493.DMA 方式与程序中断方式的比较(1)数据传送(2)响应时间(3)处理异常情况(4)中断请求(5)优先级

23、中断方式DMA 方式程序 硬件指令执行结束 存取周期结束能 不能低 高传送数据 后处理 50四、DMA 接口的类型1.选择型在 物理上 连接 多个 设备在 逻辑上 只允许连接 一个 设备设备地址寄存器控制状态寄存器数据缓冲寄存器主存地址寄存器时序电路字计数器DMA接口CPU主存设备 1设备 2设备 n选择线.系统总线512.多路型在 物理上 连接 多个 设备在 逻辑上 允许连接 多个 设备同时工作设备设备设备DMA 接口CPU主存独立请求式设备设备设备DMA 接口CPU主存链式523.多路型 DMA 接口的工作原理 T4T6 T7T2为磁盘 服务T5T8T3为磁带 服务为打印机服务T15 s

24、DMA 请求打印机tDMA 请求DMA 请求DMA 请求45 s 磁带tDMA 请求DMA 请求DMA 请求DMA 请求30 s 磁盘t537.7 通道方式通道方式在小型和微型计算机中，采用在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现方式可实现高速外设与主机成组数据的交换，但高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型计在大、中型计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采用算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采用DMA方式会出现一系列问题。方式会出现一系列问题。如果每台外设都配置如果每台外设都配置专用的专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多解

25、决众多DMA同时访问主存的冲突问题同时访问主存的冲突问题，使控制变，使控制变得十分复杂。得十分复杂。CPU需要对众多的需要对众多的DMA进行管理，同进行管理，同样会占用样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周期的工作时间，而且因频繁地进入周期挪用阶段，也会直接影响挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率的整体工作效率。5455因此在大、中型计算机系统中，采用了因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道通道的方式来进行数据交换。的方式来进行数据交换。图图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。表示了具有通道结构的计算机系统。CPU内存内存I/O通通道道图图8-3 I/O通过通道与主机交换信

26、息通过通道与主机交换信息56通道是用来负责管理通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，设备之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊可视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不是一个完全独立的处理器，它受是一个完全独立的处理器，它受CPU的的I/O指令启动、指令启动、停止或改变其工作状态，是从属于停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一个专用的一个专用处理器处理器。依赖通道管理的。依赖通道管理的I/O

27、设备在与主机交换信息设备在与主机交换信息时，时，CPU不直接参与管理，故不直接参与管理，故CPU的资源利用率更的资源利用率更高。高。57作业作业(1)习题习题 若机器有若机器有5级中断，级中断，中断响应优先级中断响应优先级为为1-2-3-4-5，而，而中断处理优先级中断处理优先级为为1-4-5-2-3。要求：。要求：设计各级中断处理程序的设计各级中断处理程序的中断屏蔽位中断屏蔽位(令令1为屏蔽，为屏蔽，0为开放为开放)；若在运行主程序时，同时出现第若在运行主程序时，同时出现第4、2级中断请求，级中断请求，而在处理第而在处理第2级中断过程中，又同时出现级中断过程中，又同时出现1、5、3级级中断请

28、求，试画出此程序运行过程示意图。中断请求，试画出此程序运行过程示意图。58解答解答59解答解答参考答案：参考答案：本章小结本章小结了解了解IO系统的基本概念，了解一些常用外设以系统的基本概念，了解一些常用外设以及工作原理及工作原理要理解要理解IO接口的功能，组成以及接口的功能，组成以及IO端口的编址端口的编址方式方式要深刻了解程序查询方式，中断以及要深刻了解程序查询方式，中断以及DMA的具的具体思想，过程概念以及工作原理，要明白每一种体思想，过程概念以及工作原理，要明白每一种IO方式的工作流程，特别是中断的处理及响应的方式的工作流程，特别是中断的处理及响应的具体过程。具体过程。了解通道方式和处理机方式的特点，要能对其了解通道方式和处理机方式的特点，要能对其与其他三种与其他三种IO方式进行比较方式进行比较60